新型雙頻段正交模耦合器的分析和設計

張海福，吳蓉蓉，張慶偉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學，河北 石家莊 050006)

新型雙頻段正交模耦合器的分析和設計

張海福1，吳蓉蓉1，張慶偉2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.石家莊市第十一中學，河北 石家莊 050006)

正交模耦合器是天饋系統中的重要組成部件，其特性直接影響到整個系統的通信質量。提出了一種新型的極高頻(EHF)、Ka雙頻段正交模耦合器，在收發端口獲得了良好的駐波比特性，同時在發射頻段具有很好的隔離度。借助三維仿真軟件HFSS設計了一個應用在EHF、Ka頻段的雙頻段正交模耦合器，對其尺寸和結構進行了優化，并進行了加工和測試。測試結果與仿真結果吻合較好，對所提出正交模耦合器的性能進行了驗證。

正交模耦合器；雙頻段；極高頻頻段；隔離度

0 引言

正交模耦合器(OMT)廣泛應用于雙極化天饋系統，特別是在大容量通信系統中，其性能優劣直接影響整個系統的通信質量[1]。OMT可以分離和組合相同頻段內的正交模式，從而增加通信系統的通信容量[2]。

OMT也可設計成雙頻工作，這種OMT常用于2個相距較遠的獨立頻段的同時傳輸，其作用類似于雙工器[3]。但與傳統的頻率雙工器有所不同，雙頻OMT用2個相互正交的極化波分別發射和接收不同的頻率，同時利用2個不同極化波的正交特性來實現收發信號的隔離[4]。

目前各種形式的正交模耦合器研究較多，更高頻率以及寬帶成為研究的重點[5]。本文設計的正交模耦合器屬于雙頻段正交模耦合器，旨在2段窄的工作頻帶內追求高性能，即發射頻段的低VSWR、高隔離度，同時要結構簡單體積小等[6]。其設計難點在于：① 收發頻段相差很遠，無法同時在收發頻段內實現主模傳輸，高次模的產生將嚴重惡化OMT的性能，所以正交模耦合器必須具有很好的高次模抑制能力[7]；② 收發端口在發射頻段內的隔離度要求達到60 dB以上，這用常規結構很難實現[8]。

1 總體設計及仿真分析

設計的正交模耦合器為雙頻段窄帶正交模耦合器，其結構示意圖如圖1所示。位于公共端口的主模TE01模在階梯過渡段截止并被反射，然后通過諧振窗耦合到耦合端口輸出。公共端口中的TE10模直接通過階梯過渡段在直通端口輸出[9]。

圖1 正交模耦合器結構示意

設計的雙頻段正交模耦合器接收頻段為20.2～21.2 GHz，發射頻段為43.5～ 45.5 GHz，收發頻段相隔太遠，無法同時在收發頻段內用主模傳輸，頻率較高的發射信號激勵起的高次模將嚴重影響OMT的指標，所以設計時必須要求有很好的高次模抑制能力[10]。

公共端口的尺寸必須和后面的圓極化器尺寸一致，以此計算，發射信號在公共端口可以傳輸的高次模有TM01模和TE21模[11]。所以必須設計合理的過渡段的結構尺寸來抑制高次模的產生。本文抑制高次模的方法是通過設計合理的漸變過渡段，盡量減小過渡段的不連續性，從而有效地抑制高次模的產生[12]。

1.1 端口尺寸的選擇

正交模耦合器的發射頻段為43.5～45.5 GHz，為保證單模傳輸，選用WR22矩形波導作為輸入端口，該波導的橫截面尺寸為5.690 mm×2.845 mm。接收頻段為20.2 ～21.2 GHz，為保證單模傳輸同時保證耦合端的性能，選用非標準波導端口，該波導的橫截面尺寸為8.6 mm×2 mm。公共端口的尺寸為8.3 mm×8.3 mm[13]。

1.2 仿真結果分析

使用ANSYS公司出品的HFSS電磁仿真軟件對所提出方案進行了仿真和優化，仿真建模時充分考慮加工的可實現性，在一些不易加工的地方做了相關處理[14]。最終尺寸和仿真模型如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

圖2 正交模耦合器仿真模型

圖3 正交模耦合器的仿真結果

仿真結果表明，在接收頻段內駐波比小于1.3，發射頻段內駐波比小于1.1，發射頻段內的收發隔離度大于63 dB。所設計正交模耦合器的結構和尺寸得到了十分優越的性能，不僅達到了設計目標值，而且有較高冗余。設計過程中采用了各段分別設計、優化的策略，除大幅度縮短設計時間外，得到的仿真結果也驗證了該策略的可靠性。

2 實物加工及測試

對所設計的正交模耦合器進行了加工和測試，最終的加工結構由2個不對稱鋁塊貼合而成，如圖4所示。為避免連接不緊密造成的性能惡化，在貼合處采用精密焊接的方式[15-16]。

圖4 正交模耦合器實物

按照仿真優化的尺寸進行了加工，并使用R&S公司的ZVA50矢量網絡分析儀進行了測試，所用校準件為Agilent公司的85056D 2.4 mm經濟型校準件。所得到的測試結果如圖5所示，其中，圖5(a)為接收端口的駐波比特性；圖5(b)為發射端口的駐波比特性；圖5(c)為收發端口在發射頻段的隔離度特性。測試時公共端口接匹配喇叭天線[17-18]。

測試結果表明，在接收頻段內駐波比小于1.4，發射頻段內駐波比小于1.22，發射頻段內的收發隔離度優于60 dB。與仿真結果相比，收發端口的駐波比特性略有惡化，發射頻段影響較大，但仍是一個很優的水準，完全能滿足系統要求。收發頻段隔離度指標降低了3 dB，相對差距較大，不過也達到了設計目標，仍能滿足系統要求。

本文所設計的正交模耦合器頻率較高，尤其是發射頻段為EHF頻段，受加工條件限制，加工尺寸和設計尺寸存在一定的偏差，所設計的不對稱結構對尺寸的精度要求更高，因此受加工影響較大。同時由于軟件仿真設置帶來的誤差，所以實測結果與仿真結果有一定的偏差。

圖5 正交模耦合器的實測結果

3 結束語

設計了一種Ka/EHF雙頻段正交模耦合器，介紹了該正交模耦合器的工作原理、設計過程及設計結果。實測結果顯示，該雙頻正交模耦合器低頻段駐波比小于1.4，高頻段駐波比小于1.22，高頻段內的收發隔離度優于60 dB，完全滿足了工程使用要求。同時，該正交模耦合器具有結構緊湊、可靠性高等優點，可廣泛地應用于Ka/EHF雙頻段衛星天線和地球站天饋系統以及大規模陣列中，具有較高的工程應用價值和良好的應用前景。

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Design and Analysis of a New Type Dual-bandOrtho-mode Transducer

ZHANG Hai-fu1，WU Rong-rong1，ZHANG Qing-wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The11thHighSchoolofShijiazhuangCity,ShijiazhuangHebei050006,China)

Ortho-Mode Transducer(OMT)is an important component in antenna and feed system.Its character has distinct influence on the communication quality of the whole system.A new type dual-band OMT of EHF and Ka band is proposed in this paper.Its structure exhibit good VSWR in both receive and send port,and provides a very good isolates degree.The design of this dual-band OMT worked in EHF and Ka band is described in this paper.3D simulations soft HFSS are employed to design and optimize the dimensions,while fabrication and measurement were made.Measured results show a good agreement with simulations,which validates the performance of the proposed OMT.

Ortho-Mode Transducer(OMT);dual-band;EHF frequency range;isolates degree

2017-03-06

海洋公益性行業科研專項基金資助項目(201305028-5)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.13

張海福，吳蓉蓉，張慶偉.新型雙頻段正交模耦合器的分析和設計[J].無線電工程,2017,47(6):52-55.[ZHANG Haifu，WU Rongrong，ZHANG Qingwei.Design and Analysis of a New Type Dual-band Ortho-mode Transducer[J].Radio Engineering,2017,47(6):52-55.]

TN622

A

1003-3106(2017)06-0052-04

張海福 男，(1986—)，工程師。主要研究方向：微波電路設計。

吳蓉蓉 女，(1987—)，工程師。主要研究方向：微波電路設計。